軟體機(jī)器人因其特有的優(yōu)勢,在很多領(lǐng)域受到越來越多的重視。機(jī)器手作為機(jī)器人與外界交互的主要工具,在機(jī)器人設(shè)計開發(fā)中具有十分重要的地位。柔性機(jī)器手具有良好的靈活性和適應(yīng)性,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變形,使得在人-機(jī)器人以及環(huán)境-機(jī)器人的交互應(yīng)用中,可以有效避免對人和物品等造成可能的傷害和損壞;更重要的是,柔性機(jī)器手能夠在較為簡單的控制策略下,輕松實現(xiàn)與復(fù)雜形狀的物體的貼合(共形)接觸。因此,開發(fā)能夠靈活抓取和操控的柔性機(jī)器手受到科研人員的普遍關(guān)注。

近日,美國密歇根州立大學(xué)曹長勇教授團(tuán)隊與北華大學(xué)耿德旭教授團(tuán)隊合作研發(fā)了一種剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器(FHPA)和柔性仿人機(jī)器手。該柔性復(fù)合機(jī)器手采用人手仿生學(xué)結(jié)構(gòu),通過新的彎曲型剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器FHPA進(jìn)行驅(qū)動,具有結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)、靈活、輸出力大和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(圖1)。該手指狀柔性執(zhí)行器內(nèi)部布設(shè)硅膠彈性體氣囊,外側(cè)裝有薄片狀束環(huán),氣囊與束環(huán)在一側(cè)設(shè)有板狀彈性骨架。施加氣壓后,執(zhí)行器內(nèi)氣囊內(nèi)壁受壓發(fā)生膨脹,外壁徑向變形受束環(huán)約束從而以產(chǎn)生軸向力為主,從而產(chǎn)生實現(xiàn)類手指的彎曲運動。該設(shè)計中,柔性執(zhí)行器采用裝配集成方式,可布設(shè)多個氣囊進(jìn)行驅(qū)動以產(chǎn)生更大的抓力。整個執(zhí)行器內(nèi)部軟體氣囊與彈性骨架剛?cè)嵯酀?jì),彈性骨架起支撐和連接作用,可提高柔性執(zhí)行器剛度和彈性恢復(fù),保證執(zhí)行器在完成運動功能和柔性的同時,使柔性機(jī)器手在抓持物體時保持一定的剛度。機(jī)器手整體結(jié)構(gòu)采用非對稱式 – 拇指與中指相對。拇指并采用雙驅(qū)動單向彎曲柔性執(zhí)行器來增強(qiáng)機(jī)器手抓持能力,其余四指采用單驅(qū)動單向彎曲執(zhí)行器。此外,在氣壓控制系統(tǒng)內(nèi)裝有氣壓傳感器用于監(jiān)控每根手指執(zhí)行器的內(nèi)部壓力,以便手指變形與物體接觸后,及時進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)壓力以適應(yīng)不同物形和重量目標(biāo)物體。實驗結(jié)果表明,采用該剛?cè)狁詈蠚鈩尤嵝詧?zhí)行器制備的機(jī)器手具有良好的靈活性,能夠精準(zhǔn)完成抓、握和捏等多種動作;同時,通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器內(nèi)部氣壓,既可以控制手指形變和輸出力,又對抓取物的形狀變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。該柔性機(jī)器手夾持力可達(dá)12牛,可抓持重量為1.3千克以上的物體,未來在機(jī)器人-人、機(jī)器人-環(huán)境交互應(yīng)用中將具有巨大的應(yīng)用潛力。

密歇根州立大學(xué)/北華大學(xué)《Soft Robotics》: 柔性復(fù)合仿人機(jī)器手
圖1:剛?cè)釓?fù)合氣動柔性執(zhí)行器(FHPA)結(jié)構(gòu)與制作。應(yīng)用該柔性執(zhí)行器制作的氣動仿人柔性機(jī)器手具有較好的適應(yīng)性,可實現(xiàn)抓、握、捏、夾等動作。

 

密歇根州立大學(xué)/北華大學(xué)《Soft Robotics》: 柔性復(fù)合仿人機(jī)器手
圖2:FHPA形變分析。(a)FHPA幾何變形與受力分析;(b)FHPA內(nèi)部硅膠氣囊變形前后橫截面變化;(c)FHPA內(nèi)部硅膠氣囊變形前后剖視圖;(d)不同氣壓下FHPA的位移和彎曲擬合曲線;(e)FHPA在充氣和放氣過程中彎曲角度變化;(f)FHPA彎曲角度實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比;(g)FHPA在氣壓0-0.3 MP,氣壓間隔為0.05MPa下的彎曲變形。

 

密歇根州立大學(xué)/北華大學(xué)《Soft Robotics》: 柔性復(fù)合仿人機(jī)器手
圖3:幾何參數(shù)對FHPA性能的影響。(a)和(b)分別是彎曲角度測量裝置和FHPA幾何參數(shù)示意圖;(c)和(d)?分別是不同厚度的圓環(huán)狀和圓柱狀約束環(huán)對彎曲角度的影響;(e)和(f)分別是在不同的氣壓作用下,F(xiàn)HPA的彎曲角度和輸出力與執(zhí)行器長度l之間的變化關(guān)系;(g)和(h)分別是在不同的氣壓作用下,F(xiàn)HPA的彎曲角度與力臂h之間的變化。

 

密歇根州立大學(xué)/北華大學(xué)《Soft Robotics》: 柔性復(fù)合仿人機(jī)器手
圖4.板彈簧和執(zhí)行器內(nèi)腔氣囊?guī)缀螀?shù)對FHPA彎曲性能的影響。(a)和(b)分別是板彈簧寬度對彎曲角度和輸出力的影響;(c)和(d)是板彈簧厚度對彎曲角度和輸出力的影響;(e)和(f)FHPA內(nèi)腔氣囊內(nèi)徑和外徑對彎曲角度和輸出力的影響。

 

密歇根州立大學(xué)/北華大學(xué)《Soft Robotics》: 柔性復(fù)合仿人機(jī)器手
圖5:約束邊界對FHPA性能的影響。(a)應(yīng)用高分辨率CT觀測FHPA內(nèi)腔氣囊在施加氣壓后的變化;(b)不同約束邊界條件下FHPA內(nèi)腔氣囊接觸變形;(c)當(dāng)約束環(huán)厚度t=2 mm 時,不同形狀的約束環(huán)對FHPA內(nèi)腔氣囊壁厚的約束效果對比;(d)和(e)是施加氣壓后,不同厚度和不同間隙的約束環(huán)對FHPA內(nèi)腔氣囊壁厚影響對比;(f)和(g)是在兩種特定條件下FHPA內(nèi)腔氣囊橫截面積與施加氣壓之間理論計算與實驗之間的對比;(h)FHPA在兩種不同形狀的約束環(huán)條件下彎曲變形角度對比。

 

密歇根州立大學(xué)/北華大學(xué)《Soft Robotics》: 柔性復(fù)合仿人機(jī)器手
圖6:FHPA內(nèi)腔結(jié)構(gòu)對其性能的影響。(a-d)分別是單驅(qū)動FHPA、雙驅(qū)動FHPA、三驅(qū)動FHPA和四驅(qū)動FHPA;(e)和(f)分別是四種執(zhí)行器彎曲角度和輸出力與施加氣壓之間的關(guān)系。

 

以上相關(guān)成果發(fā)表在國際著名期刊Soft Robotics上。論文第一作者為北華大學(xué)/密歇根州立大學(xué)劉曉敏博士,通訊作者為密歇根州立大學(xué)曹長勇教授和北華大學(xué)趙云偉教授。北華大學(xué)耿德旭教授、密歇根州立大學(xué)包裝學(xué)院博士生陳守鍔和電氣與計算機(jī)工程系譚曉波教授為論文共同作者。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1089/soro.2020.0001

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